中空糸型正浸透膜の性能の評価
野中俊希＊・林秀千人＊・奥村哲也＊・寺嶋真伍＊
松山慧＊＊・入江守裕＊＊・坂井秀之＊＊
Performance of Hollow Fiber Membrane in Forward Osmosis
by
Toshiki NONAKA*, Hidechito HAYASHI* Tetuya OKUMURA*Shingo TERASHIMA*
Kei MATSUYAMA**, Morihiro IRIE**, Hideyuki SAKAI**
The hollow fiber membrane performance is examined in Forward Osmosis (FO). The original test apparatus is made to avoid the influence of concentration polarization, deviation flow and reduction of effective membrane area. A few hollow fibers are used in experiments o f the permeation performance.
It is cleared that the concentration polarization is very large influenced to the performance, about 40%
reduction of performance. The performance of the conventional module model is about 1/2.5 of the hollow fiber that there exist the deviation flow and reduction of the effective membrane area.
Key words : Osmosis, FO, experiments, permeation flow rate, Mini-Module, Membrane Module
１．諸言
下水や河川水などから浄水を作る，あるいは海水か ら淡水を作るために，逆浸透膜が利用されている．一 方，最近では動力削減から
FO（正浸透）による淡水化
や，再生可能エネルギーのひとつとして，浸透圧発電（PRO）の開発など，正浸透による浸透膜の利用が注 目されている．このような浸透膜の利用では，酢酸セ ルロース製の中空糸型の浸透膜が用いられることが 多く，実際には中空糸を多数編みこんだ膜モジュール という形で利用される．しかしながら，中空糸膜モジ ュールは他の形状のものと比べ膜面積が大きく広く 使われている一方で，①濃度分極，②偏流，③有効膜 面積の減少などによって，十分な浸透流量が得られな い問題がある．
ここで，①濃度分極とは膜面近傍や膜内部に濃度勾 配が生じることにより浸透流量を決定づける実行浸 透圧差が小さくなることを指す．濃度分極については 様々な研究が行われてきた 1)―5）が，いずれもシミュ レーションによるもの，平膜に関したもの，逆浸透条 件下，モジュール規模で物のであり正浸透条件下で中 空糸膜単体に関するものは少ない．②偏流とは中空糸 膜モジュール内部での水の流れ，主に塩水の流れが偏 り充填されている中空糸膜の全体を有効利用できて いないことを指し，これまでにシミュレーションによ
る解析が行われてきた 6)
.③有効膜面積の減少とは中
空糸膜同士の重なりにより浸透に貢献できない部分 が多く生じることで，先ほど述べたように中空糸膜モ ジュールには数十万本～数百万本もの中空糸が編込 まれておりかなりの重なり部分があり膜が浸透に貢 献できていないと考えられる．このように，中空糸膜モジュールには様々な要因に よる性能の低下が挙げられるが，これらの要因の膜性 能への影響については，まだ十分には明らかにされて いない．
本稿では，先ほど挙げた中空糸膜モジュールの性能 向上を目指して，低下の要因がない状態の中空糸膜を 実験的に調べ評価した．
２．浸透理論・評価方法
浸透流量の理論式を（1）式に示す．
S P A
Jw ( )
（1）ここで，Jwは浸透流量[l/s]，Aは水の透過係数
[m/sMPa]，Δは塩水と淡水の浸透圧差[MPa]，ΔP
は 流体力学的圧力[MPa]である．浸透圧Δは式（２）の
ファント・ホッフの式より算出される． iCRT
（2）平成２９年６月１９日受理
＊
長崎大学工学研究科（Dept. engineering, Nagasaki-university）
＊＊ 協和機電工業株式会社（
Kyowa-Kiden Co.,Ltd.）
ここで，iはファント・ホッフ係数で溶質のイオン価 数を表し塩水の場合は
2
となる．また，Cはモル濃度[mol/m
3],R
は気体定数[kg・m2/(s
2・mol・K)],Tは絶 対温度[K]である．３. 実験装置
3.1
試験装置概要本試験では，中空糸同士の干渉による性能低下の影 響を避けるため中空糸膜数本での実験を行った．この 場合，淡水の流入量や浸透流量が非常に小さくなるた め，通常の流量計での計測は困難であると考え重量法 による性的な測定方法を採用した．また，淡水を中空 糸に圧入する際ポンプによる加圧・流量設定では脈動 等変動により正確な計測が難しくなる懸念があるため 位置ヘッドを利用した静水圧による流れの設定を行っ た．
Fig.1
にミニモジュールの概略図を示す．Fig.1 schematics of Mini-module
試験装置は淡水タンク(FS tank)，ミニモジュール
(Mini-module)，未浸透水タンク(Drain tank)から成り
立っており，ミニモジュールは塩水容器(Salt watertank)と中空糸束(Hollow Fibers)で構成される．塩水
容器内には攪拌のため循環ポンプが設置されている．塩水は大気圧とし，淡水は水柱高さ
h[m]を利用して中
空糸束入口から中空糸1
本1
本へと淡水を圧入する．淡水は途中で正浸透しながら中空糸内を流れ浸透しな かった淡水が未浸透水タンクに集められる．
この試験装置を設計するにあたり考慮すべき点とし て浸透流量が計測可能であること，実験中に一定の条 件が保たれること，が挙げられる．これらを満たすた めに中空糸本数，長さ・実験時間・淡水側入口高さを 決定していく．
中空糸長さは塩水に浸される部分で大きめに見積もっ
て
0.5[m]程度とする．その時中空糸 1
本から塩水への浸透流量と淡水の入口流量が等しくなるように圧力を を損失として，淡水タンクの高さを見積もった．
2
2
1
a
Q d
P l
gh
in(3）
ここで
a[m
2]は中空糸内の断面積である．また式(3)よ
り算出した入口高さ
h=3.5[m]である．本試験ではここ
で利用した透過性能より良い性能が予想されるため，試験装置の淡水入口高さを
7[m]とする．
次に中空糸本数・実験時間について，浸透流量を計 測可能な量に設定しかつ変動等による誤差を避けるた めに実験時間を
1
時間とする．その時の浸透流量が数g
程度になるように中空糸本数を決定する．中空糸10
本の とき 浸透 流量 が7g
と 見積 もっ た． この とき ，Mini-module
内の塩水容器に2％塩水を 2[l]用意する
と実験終了時の塩水濃度は1.999[%]となり，濃度変化
は無視できると考える．また，淡水タンク部の水位の 変化による，中空糸の淡水側流路圧力の変化を調べる と，実験前後で水面高さの変化は20[cm]程度となり、
流量の測定には十分な精度を得ることができる．また、
この高さの変化は，全体高さの
2％となり，淡水が和
中空糸に掛かる圧力の変化は無視できる．3.2
中空糸束作成方法本節ではミニモジュールの中でも中心部となる中空 糸束の作成方法について説明する．中空糸束とは中空 糸膜(Hollow Fiber :HF)の束の両端を樹脂で固め一体 としたものであり，Fig.2に示す．
Fig.2 bundle of hollow fiber
この中空糸束を作成する際に満たすべき条件として 以下のものが挙げられる．
①中空糸の各淡水流路が確保されること．
②中空糸開口が得られること．
③水漏れがないこと．
④乾燥による中空糸膜の浸透性が損なわれないこと．
⑤有効本数の確認が可能であること．
⑥中空糸膜浸透部が短すぎないこと．
これらの条件を満たすように作成方法を提案した．
少ない中空糸数本をまとめて，エポキシ樹脂で固め一 体物とする．中空糸をエポキシ樹脂で固める際に，中 空糸膜は外形
170μm
と非常に小さいため一度に最終 形状を製作すると，Fig.3(a)のように中空糸同士の間 に微小な隙間ができ，そこから水漏れする可能性があ る．エポキシ樹脂は流動性が低く中空糸間の隙間のよ(a) cross-section of Hollow Fiber(HF) and resin (×250)
(b) HF and epoxy resin
(c) cross-section of HF and resin(×250) Fig.3 1st Step of end part molding of bundle of HF
うな狭い部分には入り込まない．そのため
Fig.3(b)の
ように中空糸膜1
本ずつにエポキシ樹脂を塗りそれら を合わせることでFig3.(c)のように中空糸間の隙間
を埋めることができ，水漏れを防ぐことができる．中 空 糸 膜 は 乾 燥 す る こ と で 浸 透 性 能 を 失 う た め
,
ミニモジュール作成時や保存時には常に中空糸膜を水 中に浸けて保湿状態を保つ必要がある．一方で，樹脂 は水に漬けると固まりにくい．そこで，中空糸束を作 る際は中空糸膜を水に浸し作業部分となる両端のみを 持ち上げた状態で作業していく必要がある．また，中 空糸膜に微生物等が付着し浸透低能を低下させるファ ウリングという現象を防ぐため作業中は中空糸膜を素 手で触れることのないよう留意する．次に，エポキシ樹脂で固めた中空糸束と淡水流路と なるホースを接続するために，さらにホース系に合わ せてエポキシ樹脂を端部に充填し，Fig.2 の出来上が りのような形状にする．その際，中空糸膜浸透部とエ
(a) End part covered with gauze (left: outlet, right: inlet)
(b) Mold of end part
(c) Finished parts of HF( hollow fibers) Fig.4 2nd Step of end part molding of bundle of HF
Water filled
ポ キ シ 樹 脂 の 境 目 で は 中 空 糸 膜 が 折 れ 易 い た め
Fig.4(a)のようにガーゼを巻き保護することで淡水流
路を確保する．次にホースを型とした土台(Fig.4(b)) に中空糸膜・ガーゼをセットしエポキシ樹脂を流し込 む．土台は，プラスチックプレートの中央に穴をあけ，型となるホースを接着し水を張ったバットにセットさ れる．この土台にエポキシ樹脂を流し込む．その際に 出入り口となる部分は樹脂がつかないように注意し，
Fig.4(c)のように両端が数センチは樹脂に埋まらない
ように樹脂を流し込む．数時間後，樹脂が完全に硬化 したらホース・プラスチックプレートを中空糸束から 外す．最後に中空糸膜の開口を得るため両端をカミソ リで切断する．切断の際は中空糸膜の中空部をつぶさ ないよう鋭い刃で引きながら切るようにする．最後に，中空糸膜の性能を評価するために必要な膜 面積を確認するために，Fig.5 のように中空糸束出口 端では中空糸膜
1
本ずつの流出を確認した．Fig.5 Check flow condition of bundle of HF
４．実験方法
本実験では中空糸膜の透過係数を（1）式から求める．
浸透流量を求める際は淡水側の流入量と未浸透水の重 量を電子天秤(株式会社エーアンドデイ，
EJ-610，分解
能1/12,000~1/60,000，最小単位:0.01g)を用いて計測
し，その差から浸透流量を求める．淡水流入流量は，実験開始時と終了時に水面高さの差相当分の水を同量 実験後に電子天秤で計測する．
一方，ミニモジュール出口側は
photo11
のように中 空糸膜が外部に出ており未浸透水が流出する．この未 浸透水をカップに集め，実験終了後電子天秤にて重量 を計測する．実験は60
分間行ない，その間の水の蒸発 等を防ぐために蓋をしている.ここで計測した淡水の流入量から未浸透水流量を引 くことで浸透流量を求め透過係数
A[m/(s MPa)]を，式 (4)より算出する．
P S
A J
W
(4)
５．実験条件
Table1 specific of bundle of hollow fiber
Table2 experimental condition experimental
No.
Salt conc.
[%] Mixing
1 1.0
〇2 1.0 -
3 1.5
〇4 1.5 -
5 2.0
〇6 2.0 -
Table3 experimental condition
今 回 使 用 し た 中 空 糸 膜 は 内 径
120[
μm],
外 形170[μm]で，2
種類のミニモジュールに対して試験を行 っ た ．
Mini-module a
は 浸 透 部 長 さ が0.4[m],mini-module b は浸透部長さが 0.45[m]と長く
なっている．両モジュールにおいてtable2
に示す3
パターンの塩分濃度についてそれぞれに攪拌の有無の 計6
パターンの試験を行った．Mini-module No.
HF inner diameter [μm]
HF outer diameter [μm]
Length [m]
A 120 170 0.40
B 0.45
Experimental No.
Fresh water Inlet pressure
[MPa]
Temperature [℃]
Num [-]
a-1
0.07
18 6
a-2 18 6
a-3 14 6
a-4 14 6
a-5 14 7
a-6 13 3
b-1 14 4
b-2 14 4
b-3 14 4
b-4 14 4
b-5 14 4
b-6 14 4
Table3
に示すのは各実験時の水温と試験中に中空 糸出口で流出が確認でき有効とみなした中空糸の本数 である．６．実験結果・考察
6-1
流量の比較Fig.4～6
に各条件下での淡水入口流量，未浸透水流量の計測値，およびそれらから得た浸透流量を示す．
Fig.4 inlet and outlet flow rate(Mini-Module a)
Fig.5 inlet and outlet flow rate(Mini-Module b)
Fig.6 permeation flow rate
いずれの条件下でも淡水入口流量・浸透流量ともに，
攪拌有りのときが多いことが分かる．浸透流量に関し ては時節で述べる濃度分極の影響が考えられる．また，
mini-module a
では流量のばらつきが大きく有効本数も
1
っ亭ではないことから，中空糸の途中で淡水が浸 透しきってしまう淡水の消失が起こっている可能性が ある．mini-module bは中空糸の有効本数が常に4
本 で一定である．このモジュールの結果から塩分濃度に ほぼ比例して流量が増加している．これは，浸透流量 が増すことで中空糸内での淡水の流れ抵抗が減少し，その結果流入量が増加したと考えられる．
6-2
濃度分極の影響実験より求めた浸透流量を(1)～(3)式を用いて透過 係数
A[m/(s MPa)]へと換算する．
S P A
Jw ( ) （１）
iCRT
（２）
透過性能は温度に依存するため標準温度への校正を 式(3)により行った．
) 01601 . 0 ) (
25 (
25
1
T
Jw jw
T（３）
(3)式は著者らがこれまでに中空糸膜モジュールに
対して行った実験結果から得られたものである．以上 の式から求めた透過係数をfig.7
に示す．Fig.7 permeation coefficient of mini-module
これらの結果から，いずれの実験条件下でも透過係 数が塩水容器内の攪拌により向上していることが分か る．さらに，この結果を攪拌の有無について平均する
と
fig.7
のようになる．透過係数は塩水容器内の攪拌により平均して約
4
割の向上がみられた．これは攪拌により
fig.8
で示す塩水側膜面近傍の濃度勾配が緩和され実効浸透圧差が増加したためだと考えられる．
Fig.8 schematics of concentration polarization
6-3
中空糸膜本数による影響中空糸膜同士の干渉による性能低下の影響を調べる ため，本実験により得られた中空糸膜単体での透過係 数と比嘉・松山らにより行われた実験 1)2)，および筆 者らが東洋紡製
5inch
膜モジュールでの実験により得 た透過係数7)8)とを比較した．Fig.9 permeation coefficient of each module
上のグラフは中空糸膜モジュールの透過係数を中空 糸本数に ついて まとめ たも ので，横 軸が対 数目盛 と なっている．左側のプロットが今回の中空糸膜
10
本で の実験結果を攪拌の有無についてまとめたものである．真ん中のプロットは中空糸膜本数が
720
本である．右 側のプロットは5inch
膜モジュールでの実験から得た データで中空糸の中空糸膜本数は20
万本程度である．ここで
5inch
膜モジュール内の塩水流速は1[mm/s]程
度と非常に遅く攪拌無しの状態と見なす．グラフから，透過係数と中空糸本数の対数は負の相 関関係にあり，ほぼ比例することが分かる．これは中 空糸本数が増えるにつれ膜の重なりの影響で有効膜面 積が減少するためだと考えられる．さらに
10
本のときは
5inch
膜モジュールでの透過係数と比較して2.5
倍近くもの透過係数を有している．つまり，中空糸膜の 性能はモジュール規模になると，本来中空糸膜が持つ 性能の半分以下にまで落ちることが分かる．
７．結言
中空糸膜の濃度分極・偏流・有効膜面積の減少がな い状態での性能について，ミニモジュールを作製し実 験的に評価し以下の結論を得た．
・塩水側の攪拌により，浸透性能に約
4
割の向上が 見られた．・現行の中空糸膜モジュールでは十分な性能が発 揮されておらず，中空糸膜単体での性能と比較 すると半分以下の性能となった．
参考文献
